农业物联网微带天线技术

李 雪，文 燕，邹承俊，尹华国

（成都农业科技职业学院，四川 成都 611130）

农业物联网是支撑农业大数据技术信息获取与传输的核心承载体。农业数据的传递需要通过无线设备进行无线电信号的收发。作为物联网通信的重要技术之一，ZigBee短距离无线通信技术由于其通用、廉价、网络自组织等特点，被广泛应用于智能农业、智能电网、智能家居等物联网领域，成为学术界和工业界的研究热点[1-4]。当前，ZigBee依然面临着增加网络节点作用距离、提升链路信号质量、降低功耗、集成小型化等工程设计问题[2]。而天线作为无线通信系统射频能量发射与接收的核心器件，形成了无线信号收发的唯一空中接口，直接制约着无线通信的作用距离与能效，研究Zigbee天线[3-4]对提升ZigBee通信系统性能具有重要的意义。

在微带天线的领域中，因其优点多，适用范围广，低成本，易于与其他设备集成而广泛应用于无线通信系统[1-5]。

1 传统微带

微带天线具有低剖面、易于集成小型化等优势[5-8]，在Zigbee等无线通信系统中应用广泛。虽然微带贴片天线技术成熟、易于设计，但是其尺寸较大、带宽窄。传统微带贴片天线如图1所示，结构上天线在介质基板上承载馈线及矩形贴片，并具有完整的接地面。在图1所标识的参数下，采用8mm厚的F4B-2板材（相对介电常数εr=2.65、损耗正切角tanθ=0.001）可通过全波电磁仿真得到其散射参数|S11|如图2所示。该天线工作于2.44GHz，-10dB带宽约为 20MHz，整体尺寸为 50mm×80mm×0.8mm。在特定工作频率下，微带贴片天线的尺寸与基板介电常数及磁导率呈反比。由于传统微带贴片天线不具备更多的设计自由度，可通过增大基板介电常数及磁导率来降低尺寸。论文[9]采用传统微带贴片结构，利用新型陶瓷介质作为衬底来降低天线尺寸，但如果使用陶瓷材料又提高了天线成本。同时传统微带结构在频率调谐与阻抗匹配方面难以兼顾，限制了这种天线结构在工程中的应用。论文[10-12]采用微带复合左右手传输线结构来实现天线小型化，但是其谐振特性依赖于多个结构参数，设计复杂。同时，ZigBee在2.4GHz频段具有多个工作频带可选，虽然微带天线-10dB带宽一般能覆盖上述频段，但是仅有谐振频率处性能最优。

图1 传统微带贴片天线

图2 工作于2.44GHz的微带天线散射参数特性

同时，和手持设备中天线受人体负载效应影响一样，农业物联网应用场景存在大量动植物及农业设备等形成的复杂电磁环境，给农业物联网天线阻抗匹配、谐振频率的稳定带来了挑战[13]。

2 调谐与阻抗匹配

在农业场景的应用当中，天线与周围物体距离较近，其负载调制效应使天线失谐、失配，面对复杂多样的场景，在设计过程中需要微带天线方案具有阻抗匹配调节、谐振频率调谐的能力。论文[14]所提出的一种双面微带天线结构如图3所示，其天线包括顶层和底层金属结构，衬底采用0.8mm厚的F4B-2高频基板，基板相对介电常数εr=2.65、损耗正切角tanθ=0.001。其原理是天线顶层与底层之间的金属贴片形成辐射结构的馈电激励。天线的表面电流密度主要集中在下层的弯折线上，通过底层金属弯折接地增大谐振回路电长度，从而降低天线尺寸。该天线实现了谐振频率及阻抗匹配调控，并且比传统微带贴片天线结构降低了整体尺寸，同时具有谐振频率与阻抗匹配易于调控的特性。易于设计，满足物联网应用针对于不同频段进行定制优化的需求。

图3 具有谐振频率及阻抗匹配调控功能的微带天线

图上天线是通过改变上贴片与下贴片边长的大小来调节谐振频率和阻抗匹配的结果，因此在设计天线时，可以考虑在传统微带天线的基础上通过改变部分结构，甚至通过引入调谐电路[14-15]，来影响天线的谐振回路表面电流的分布，从而实现影响天线的阻抗匹配和谐振频率的可调谐。

3 新型人工电磁材料实现小型化

新型人工电磁材料本身所蕴含的机理特性，在电磁波方面有特殊的响应，有效介电常数和有效磁导率可控，而复合左右手传输线（CRLH）是其中的一种。利用CRLH传输线的零相移特性可使零阶谐振天线频率只由并联谐振回路决定，而和天线尺寸大小无关。由此CRLH的谐振回路可以实现天线的小型化。在文献[16]中提出的天线就是利用CRLH传输线的谐振单元来实现天线的宽带小型化。在文献[17]中同理利用负介电常数传输线的理论设计了一种新型的小型化零阶谐振天线，实现了天线的小型化。

4 结 语

由于要满足农业物联网复杂的应用场景，在天线的设计上就要求满足小型化、阻抗匹配好等需求。本文在研究了传统微带天线的制作方法、天线特征及优劣势的基础上，结合文献重点分析了天线的阻抗匹配和谐振频率调谐的方法；并结合CRLH传输线天线小型化的几个案例，来说明新型人工电磁材料在天线小型化的设计上是行之有效的。面向农业物联网应用需求，从新设计、新方法当中更好地寻求解决天线设计的一些问题，以求获得带宽较宽、高增益、小型化的高性能物联网天线。